特性运动控制过程自动化
开发用于真空应用的运动控制和定位

在科学研究和工业生产中的应用经常要求在真空中运动和定位。

有几个因素影响真空环境的质量。其中一个主要的挑战是使用的组件的排气。制造商通过提供标准化的真空准备或定制产品来解决这个问题，满足高真空(HV)和超高真空(UHV)应用的要求。

这篇文章重点介绍了用于真空应用的电动定位器，并描述了这些定位器是如何根据其特定要求设计、制造和测试的。

真空应用程序

由于新技术只能在真空中使用，真空应用变得越来越重要。例如，透镜在光学工业、光纤和激光光学中都有涂层，因为敏感探测器是在真空中制造的。

在微电子电路的生产中，真空条件保证了敏感元件的安全处理。航空航天工业和汽车工业都使用电子束工艺来减少微型部件或厚壳工件焊接时的角畸变和横向收缩。

表面和材料的分析，在扫描电子显微镜(SEM)，透射电子显微镜(TEM)或x射线断层扫描的帮助下，必须在真空中进行。由于所使用的方法，如离子束聚焦，纳米表征和纳米结构也依赖于真空环境。

EUV光刻需要超高真空和非常干净的条件，这是为了进一步缩小半导体行业的特征尺寸，而且如果没有真空技术，推进量子计算的量子位元的发展将是不可想象的。

科学研究和工业对所有这些和许多其他应用都需要不同的真空等级，必须提供适当的设备。

操作定位系统有明确的挑战。其中之一就是通常有限的安装空间。同样重要的是，要避免因磨损或排气而造成的颗粒污染真空室，以及过多的热输入。

在真空技术和应用方面经验丰富的运动控制和精密定位设备制造商可以提供标准的和客户特定的驱动技术，这些技术是为真空应用的要求量身定制的(如上图1所示)。

这包括带有特殊设计的直流或步进电机的电动定位器，允许大行程范围。此外，压电驱动器，压电系统和压电马达，以及并联运动六脚，也可根据力，动力学和行程范围的不同设计。

挑战在真空

为了选择所需的真空等级，重要的是要分析特定应用的需求。此外，排气速率与最终压力有关，因为它决定了特定残余组分的分压。

例如，由于使用了润滑脂或不适合在真空中使用的塑料部件，hc(碳氢化合物)可能会无意中被引入真空室。hc会被强烈的紫外线或x射线破坏，因此，它们在紫外线范围和光束线应用的激光应用中尤其重要。HC碎片沉积在光学元件表面，污染甚至损坏真空光学元件或测试样品。

真空类

真空定义为低于正常大气压力(DIN 28400)的压力，测量单位为[hPa]， [mbar]或[Torr]。不同级别的真空等级被定义:精细，高，超高和极端。虽然通常应用高真空和超高真空，但很少需要极高的真空。为了确定所需的真空等级，有必要尽可能了解应用程序(如表1所示)。

表1 -基于压力范围的真空等级定义。(π)

脱气率

放气速率是下一个相关的规格，因为它代表了特定残余组分的分压。释放气体是挥发性分子的分离，这些分子被吸收或吸附在材料的表面或体积中。

因为放气速率决定了系统中的压力(以及真空泵的能力)，放气禁止快速达到低压值。此外，逸出气体的化合物会沉积在光学元件或其他敏感器件的表面，使其模糊不清或损坏。

总的来说，电动定位器需要低排气。此外，残留气体必须含有极少量或不含hc，以及不含高蒸气压的金属，如锌、铅或镉。

Vacuum-compatible设备

由于排气对于创造和保持洁净的高真空环境是一个挑战，在真空系统的设计和生产中，正确选择材料和处理方法是必须的。

为了实现高真空(HV)或超高真空(UHV)兼容的电动定位器，必须考虑三个主要问题:材料选择、设计、制造和调试过程。

制造商提供特定的真空准备目录项目选定的产品系列，已经兼容高压或特高压，或可以修改要求在真空中使用。

Vacuum-ready机动定位器

以Physik instrument (PI)为例，该公司提供了三种特定的标准真空级别:V6用于高真空规格，V7用于更高洁净度/压力要求，V9用于超高真空要求。表2展示了为达到相应的真空等级所采取的不同措施。

表2 -实现相应真空等级的不同措施。(π)

真空产品中的材料

常见的电气和电子设备包含不适合真空应用或只是有限的组件。这些设备包括电缆、电机、缩放系统、连接器、限位开关等。普通电缆一般采用聚氯乙烯绝缘屏蔽。普通的电动机是用含有碳氢化合物的高蒸气压的润滑脂或油润滑的。而普通的电子部件都是嵌在塑料中，散发率很高。

具体的产品特性应该在所有这些部件上实现，以避免从这些部件中释放气体，从而形成一个干净的真空环境。

用聚四氟乙烯或聚酰亚胺屏蔽编织取代聚氯乙烯电缆在技术上简单但昂贵。特别是聚酰亚胺，具有在真空中使用所必需的洁净度，但它吸收了大量的水分子，这大大增加了泵下时间。因此，在操作定位系统时，只应使用必要的编织数量。编织应尽可能短，理想情况下，真空室也为短电缆设计。

为真空改造的电机(如图3所示)有几个通风孔，并配备聚酰亚胺屏蔽电机线圈，理想情况下在电机中安装温度传感器。

温度控制之所以重要，有两个原因:首先，电机应在过热点以下运行，这意味着建议缓慢驱动。其次，温度控制的烘烤过程必须通过对电机施加电流来完成，至少对于特高压系统是这样。

因此，特高压级的所有部件都必须能够持续加热到一定的温度。例如，PI将有缩放系统的级的温度设置为120°C，没有缩放系统的级的温度设置为150°C。由于电机线圈绕组数量巨大，聚酰亚胺的用量非常高，因此必须将大量吸附的水分烤干。特别设计的两相步进电机实现在特高压产品，如上图所示。

常见的连接器和限位开关不能在超过10-6 hPa的真空中使用，因为它们的高排气塑料组件。它们由低排气塑料(用于高压)或陶瓷、PEEK和金属(用于特高压)组成的组件补充，如图4所示。开关的连接器和触点的引脚不是焊接的，而是夹紧的，卷曲的或激光焊接的。

定位器底盘材料的选择是有限的。例如，铜锌合金不应用于真空系统。如果可能的话，这些材料用青铜代替。特高压产品用PEEK、陶瓷或金属部件代替其他标准塑料件。

设计真空

如前所述，用真空相容材料替代标准材料是真空舞台设计的严格要求。另一个要求是定位器表面的缩小和最小化。

在真空阶段，未涂覆体的表面不需要喷砂。真空级通常不需要用于防止污染的盖子。在机械式限位开关的情况下，不需要为电子限位开关设置保护罩。

真空级设计的第三个非常重要的要求是防止虚漏。虚泄漏是一个与腔室的真空侧相连的截留体积。由于与真空室连接的路径狭窄，在此捕获体积中的气体不容易被抽出。这导致缓慢的排气，似乎是真空系统的泄漏。设计不良是造成实际泄漏的主要原因，不仅对定位阶段，而且对真空室和一般真空设备也是如此。

困住的体积通常是由未排气或排气不良的盲孔造成的。它们要么在螺钉的尖端，要么在螺钉头的边缘下。此外，无论是将定位器安装在底板上，还是将样品固定在定位器上，所覆盖的孔通常会导致实际泄漏。

如果实际上是由螺钉引起的泄漏，建议使用通风的螺钉。通风螺钉在螺钉的长度上有一个孔，以避免困住体积，如图5所示。通过这种方式，可以排出滞留的体积。此外，螺杆头部有凹槽，以保证螺杆头部下方空腔的通风。如果该孔被定位单元覆盖，从而导致实际泄漏，那么它必须有一个穿孔或一个排气槽。

真空制造和调试过程

在组装真空定位器之前，所有的纯金属部件都要在超声波浴中进行清洗。电器和电子设备被擦拭干净。标准润滑部件，如轴承和导轨，都要用特殊的真空润滑脂脱脂、清洁和润滑。超声波清洗后的部件在气候室中干燥。

级的装配是在洁净室或层流系统中进行的。组装完成后，工作台必须在清洁的环境中通过性能测试。每一种类型的阶段都要进行真空测试，并在对产品进行真空临界更改时进行测试。

组装完成后，该系统被包装在真空密封袋中，以防止灰尘、空气和湿度:首先，该阶段在气候室中进行烘烤。在包装和密封在一个内部真空袋，然后把阶段，然后放入第二个，外部真空袋，然后真空密封完全。

真空准备产品的附件

在真空环境中使用的附件也可以提供在真空版本，如合适的馈通和电缆适配器。进一步的附件，如法兰或连接器可用于真空准备的产品。

然而，对于电子设备，如控制器和放大器，建议在真空环境之外使用。

Stefan Vorndran是PI (Physik instrument) LP的战术工程副总裁。他拥有电气工程硕士学位，在纳米定位和压电运动应用方面拥有超过25年的经验。